生態(tài)文明建設(shè)下我國(guó)生土建筑抗震性能

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摘要：生土建筑是一種傳統(tǒng)建筑形式，但傳統(tǒng)生土建筑墻體材料抗震性能較差?？偨Y(jié)我國(guó)生土墻體抗震性能、生土房屋抗震性能、生土結(jié)構(gòu)抗震加固等方面的研究進(jìn)展，為生土建筑提供參考。

關(guān)鍵詞：生態(tài)文明；生土建筑；抗震性能

1生土墻體抗震性能研究

紅等通過(guò)3片夯土墻的低周反復(fù)試驗(yàn)分析圈梁和構(gòu)造柱可約束夯土墻體后期變形，增加墻體延性，但對(duì)墻體承載力提高作用不大，并指出了夯土墻體施工中應(yīng)注意的問(wèn)題；卜永紅等通過(guò)3片不同方法夯筑的夯土墻體抗震性能試驗(yàn)，表明錯(cuò)層夯筑法和加銷鍵夯筑均可提高墻體變形能力，采用錯(cuò)層夯筑法還可提高墻體承載能力；卜永紅等提出了一種內(nèi)置繩網(wǎng)夯土墻體建造技術(shù)，低周反復(fù)加載試驗(yàn)表明，內(nèi)置繩網(wǎng)夯土墻體的承載和變形能力比傳統(tǒng)夯土墻有很大提高。紅等通過(guò)試驗(yàn)分析影響土坯墻抗震性能的主要因素，結(jié)果表明土坯墻體和磚砌體破壞模式相似，構(gòu)造柱與圈梁等抗震構(gòu)造措施可有效提高墻體抗震性能。陳漢清等基于正交試驗(yàn)因素分析方法，運(yùn)用靜力彈塑性非線性有限元數(shù)值模擬，研究未開(kāi)孔及開(kāi)孔的素土坯墻體極限位移和極限荷載的影響因素（墻體厚度、豎向壓應(yīng)力及開(kāi)孔大小等），評(píng)估土坯墻體在眾值烈度和基本烈度地震作用下的抗震性能，提出了素土坯墻體開(kāi)洞尺寸的限制條件。阿肯江•托呼提等通過(guò)對(duì)木柱梁–土坯組合墻體的彈塑性有限元計(jì)算，證明組合墻體的抗側(cè)承載力、延性及耗能能力均比素土坯墻體有較大提高，評(píng)估素土坯墻體和組合墻體在眾值烈度和基本烈度地震作用下的效應(yīng)，認(rèn)為木柱梁–土坯組合墻體可達(dá)到“大震不倒”要求。王苗苗基于ANSYS通過(guò)有限元對(duì)未開(kāi)洞及開(kāi)洞的素土坯墻體進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，指出墻體裂縫多出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)薄弱部位，破壞時(shí)其底部沿平面內(nèi)外均有外鼓現(xiàn)象，通過(guò)彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析指出采用木框架加固素土坯墻體后墻體耗能能力明顯提高。吳鋒等通過(guò)擬靜力試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)體土坯墻及開(kāi)洞土坯墻的抗震性能研究，結(jié)果表明土坯墻體試件的破壞形態(tài)為剪壓破壞或剪摩破壞，建立了土坯墻體承載力公式，指出開(kāi)洞土坯墻體的承載力、剛度及耗能能力均有明顯下降，但延性有所提高。張偉等運(yùn)用簡(jiǎn)化力學(xué)模型，基于峰值速度分析生土圍護(hù)墻傾覆倒塌的破壞機(jī)理，得出不同地震烈度下高厚比限值，可避免地震下生土墻體發(fā)生傾覆倒塌。陳國(guó)新等提出一種內(nèi)填植物纖維生土基砌塊生態(tài)復(fù)合墻體，通過(guò)低周反復(fù)加載試驗(yàn)闡述試件破壞的主要過(guò)程和受力特點(diǎn)表明，該墻體有良好的抗倒塌能力，提出了影響復(fù)合墻體特征荷載和位移的主要因素。趙西平等對(duì)素土墻、灰土墻和草土墻的研究結(jié)果表明，在單調(diào)荷載或反復(fù)荷載作用下，灰土墻的極限剛度高于工況相同的素土墻和草土墻，素土墻和草土墻的耗能能力比灰土墻好。

2生土房屋抗震性能研究

申世元針對(duì)木構(gòu)架承重土坯圍護(hù)墻單層房屋進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，驗(yàn)證了配筋砂漿帶、配筋磚圈梁、斜撐、剪刀撐等構(gòu)造措施及扒釘、墻纜等常用加強(qiáng)連接手段的有效性，結(jié)果表明，在地面峰值加速度為0.30g時(shí)仍未發(fā)生嚴(yán)重破壞。于文等以新疆喀什老城區(qū)的代表性房屋做研究原型，對(duì)按原型縮尺采取墻體內(nèi)外側(cè)角鋼帶加固、角鋼斜撐與檁條的連接和屋蓋增設(shè)扁鋼帶等措施進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果表明，加固后的原型房屋滿足喀什地區(qū)8度抗震設(shè)防的要求。劉開(kāi)康以村鎮(zhèn)既有土坯結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，提出應(yīng)用摩擦滑移隔震技術(shù)對(duì)土坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震的措施，并對(duì)模型進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)比分析厚度約1cm的砂?；茖痈粽鹉Ｐ秃突A(chǔ)固定模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了砂層滑移隔震對(duì)土坯砌體結(jié)構(gòu)的減震效果。黃辰蕾針對(duì)西部農(nóng)村地區(qū)土坯墻結(jié)構(gòu)房屋的震害特征提出現(xiàn)澆石膏土坯墻、砌筑灰膏–土坯墻、木板夾芯結(jié)構(gòu)和木構(gòu)架–土坯墻結(jié)構(gòu)等4種結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)表明，現(xiàn)澆石膏土坯墻結(jié)構(gòu)和砌筑灰膏–土坯墻結(jié)構(gòu)的約束強(qiáng)于木板夾芯結(jié)構(gòu)和木構(gòu)架–土坯墻結(jié)構(gòu)；木板夾芯結(jié)構(gòu)和木構(gòu)架–土坯墻結(jié)構(gòu)比另2種結(jié)構(gòu)的變形性能好，但4種結(jié)構(gòu)均具有較好的抗倒塌性能，滿足8度抗震設(shè)防要求。周鐵鋼等在夯筑材料選擇、夯筑機(jī)具、夯筑工藝和結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施等方面進(jìn)行技術(shù)改良，提出現(xiàn)代夯土建筑的概念，制作了采用鋼筋混凝土構(gòu)造柱及現(xiàn)澆屋面的單層夯土房屋的1/2縮尺模型，抗震性能試驗(yàn)結(jié)果表明，現(xiàn)代夯土建筑抗震性能得到很大提高，8度罕遇地震作用下模型房屋仍可繼續(xù)承載且具有較好的變形能力。同時(shí)，還進(jìn)一步運(yùn)用現(xiàn)代夯土技術(shù)制作單層坡屋頂原型房屋1/2縮尺振動(dòng)臺(tái)模型，結(jié)果表明在8.5度罕遇地震作用下模型房屋仍可繼續(xù)承載，變形性能良好。吳鋒等通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究土坯房屋模型在不同地震強(qiáng)度下的抗震性能，結(jié)果表明，土坯房屋模型破壞形態(tài)與砌體房屋相似，并提出了罕遇地震作用下墻體承載力的土坯房屋抗震設(shè)計(jì)方法。

3生土結(jié)構(gòu)抗震加固措施研究

王建衛(wèi)等提出針對(duì)土坯墻采用鋼絲網(wǎng)水泥砂漿、木柱木梁、木板及木柱木梁加斜撐等措施進(jìn)行加固，對(duì)臥砌土坯墻體及加固墻片進(jìn)行低周反復(fù)試驗(yàn)。結(jié)果表明，鋼絲網(wǎng)水泥砂漿加固墻體效果較顯著，水平承載力提高幅度最大，抗震性能提高最為顯著。木板及木柱木梁加斜撐加固墻體可有效約束墻體后期變形，延性提高幅度較大。木柱木梁形成邊框的加固體系對(duì)提高墻體承載力和延性作用均不大，加固效果一般。王建衛(wèi)還進(jìn)行了平砌土坯墻體及運(yùn)用塑鋼打包帶加固墻片的低周反復(fù)試驗(yàn)，證明該加固措施可有效提高平砌土坯墻體的抗震性能。卜永紅針對(duì)夯土墻體提出應(yīng)用內(nèi)置繩網(wǎng)、加木構(gòu)造柱木圈梁框架等措施進(jìn)行加固，通過(guò)低周反復(fù)試驗(yàn)表明，內(nèi)置繩網(wǎng)承重夯土墻體可有效結(jié)合繩索的抗拉特性與土體的抗壓特性，使墻體表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，夯土墻水平承載和變形能力得到較大提高；木構(gòu)造柱與木圈梁可有效約束T形夯土墻體與一字形夯土墻體，明顯提高墻體抗震性能。張又超等采用正放或斜放的鋼絲網(wǎng)水泥砂漿面層加固夯土墻體，通過(guò)5片縮尺墻片的低周反復(fù)加載試驗(yàn)表明，加固后墻體的開(kāi)裂荷載、極限荷載、開(kāi)裂位移、極限位移均有明顯提高，夯土墻體的承載力提高，墻體脆性破壞特征得到改善，但該法對(duì)墻體的加固效果影響不大。張坤等提出磚柱錨桿構(gòu)造和磚柱配筋砂漿帶構(gòu)造2種夯土墻體加固措施，通過(guò)5片縮尺墻片的低周反復(fù)加載試驗(yàn)表明，2種方法均可抑制墻體裂縫發(fā)展，約束夯土墻體變形，改善墻體脆性破壞特征，提高承載力和延性性能，但磚柱配筋砂漿帶對(duì)墻體延性影響較大，磚柱錨桿對(duì)墻體承載能力影響較大。張琰鑫等通過(guò)地震反應(yīng)譜分析表明，檁–墻連接部位、縱墻頂面部位及山墻中部是結(jié)構(gòu)的薄弱部位，提出在檁條下設(shè)置弧形墊塊、在縱墻頂面設(shè)置木圈梁和山墻外設(shè)置扶壁柱等解決方法，并通過(guò)分析驗(yàn)證了這些方法的合理性。黃金勝等針對(duì)夯土墻提出鋼絲網(wǎng)水泥砂漿和玻璃纖維水泥砂漿加固法（統(tǒng)稱為夾板墻），研究表明該法對(duì)加固夯土墻體非常有效，加固后墻體的極限承載力和極限位移均得到大幅度提高。董玉將等以陜南典型夯土民居為原型設(shè)計(jì)了U形夯土墻片單元，針對(duì)墻體在地震中易發(fā)生外閃破壞的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了鍍鋅鐵絲網(wǎng)帶加固方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)墻體設(shè)置水平及豎向鍍鋅鐵絲網(wǎng)加固帶，提高了房屋的整體性和抗震性能。周鐵鋼等提出在土坯墻內(nèi)設(shè)置水平和豎向配筋砂漿帶形成格柵配筋網(wǎng)加固墻體的方法，制作了1/2單間縮尺房屋加固模型，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)表明，小震時(shí)格柵配筋網(wǎng)對(duì)裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展有抑制作用，大震時(shí)格柵配筋網(wǎng)對(duì)墻體約束較好，墻體無(wú)剝落現(xiàn)象，承載能力仍繼續(xù)保持，變形能力顯著增強(qiáng)。周鐵鋼等針對(duì)土坯圍護(hù)墻–木結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)民居，提出對(duì)木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)采用扁鐵、薄鋼片和角鋼進(jìn)行加固，在墻體內(nèi)外水平刻槽并設(shè)置配筋砂漿帶進(jìn)行加固，制作了1/2單間縮尺房屋加固模型，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)表明，加固后的木結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞，且能與土坯圍護(hù)墻協(xié)同工作，在總體上實(shí)現(xiàn)了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。木合塔扎爾白克•蘇力唐針對(duì)工字型土坯墻提出鋼絲網(wǎng)水泥砂漿加固的方法，擬靜力試驗(yàn)表明，加固墻體的開(kāi)裂荷載值比未加固土坯墻體提高近2倍，峰值荷載提高11倍并表現(xiàn)出良好的延性特征。黃斌等應(yīng)用有限元數(shù)值分析方法分析多種因素（墻體厚度、豎向荷載及開(kāi)孔尺寸等）復(fù)合作用對(duì)鋼絲網(wǎng)砂漿加固墻體抗震性能的影響，表明對(duì)未開(kāi)孔和開(kāi)孔的加固墻體，豎向荷載均是影響墻體抗側(cè)承載力和變形能力的主要因素，在土坯房屋加固改造時(shí)應(yīng)合理設(shè)計(jì)屋（樓）面荷載。徐舜華等對(duì)采用武都地區(qū)施工工藝夯筑的2片夯土墻體進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，在水平往復(fù)荷載作用下，墻體破壞始終沿夯土層間水平和垂直接觸裂縫處，最終形成碎裂塊。徐舜華等還進(jìn)一步提出使用鐵絲網(wǎng)加固夯土墻體的做法，通過(guò)4片夯土墻體的偽靜力試驗(yàn)表明，該法可提高夯土墻體由于施工方法引起板與板之間薄弱部位的強(qiáng)度，增強(qiáng)夯土墻體的整體性，提高墻體抗震能力。許滸等提出一種采用薄壁型鋼條帶加固生土墻體、角鋼加固獨(dú)立柱和屋蓋的加固方案。通過(guò)典型生土建筑模型的地震倒塌全過(guò)程模擬表明，該方案可提高生土房屋的整體性，防止生土墻體倒塌破壞，顯著提高生土建筑的抗倒塌能力。張延年等提出一種對(duì)改性生土坯砌筑墻體運(yùn)用縱向布置4鐵絲、水平向布置鐵絲網(wǎng)等加強(qiáng)措施的加固生土墻體，低周反復(fù)試驗(yàn)表明，該措施可提高墻體開(kāi)裂荷載和極限荷載，顯著改善墻體的變形及耗能能力；指出改變水平鐵絲網(wǎng)間距可提高墻體的承載力，但對(duì)變形能力的提高不明顯。

4結(jié)束語(yǔ)

作為傳統(tǒng)民居的一種主要形式，生土建筑目前在我國(guó)村鎮(zhèn)仍大量存在，但由于生土建筑抗震性能較差，降低了使用的安全性。在生態(tài)文明建設(shè)背景下，對(duì)抗震性能較差的生土建筑進(jìn)行合理設(shè)計(jì)施工和有效修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)有重要意義。本文總結(jié)了我國(guó)生土墻體抗震性能、生土房屋抗震性能、生土結(jié)構(gòu)抗震加固等方面的研究進(jìn)展，可對(duì)生土建筑提供參考。

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作者：張波 單位：陜西理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院